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Verfahren zur Herstellung eines Kraft#iflleit##forT#t#ii#s,
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Vorrichtung zur Durchführung des Ver£§htAns SnS:frat Leitungselement.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines
Krafteinleitungsformteiles im Stirnbereich eines Profiles, ferner auf eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens, sowie auf ein an ein Profil angeformtes Krafteinleitungselement.
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Das Einleiten von Kräften in Profile, insbesondere Rohre aus Metall
ist technisch in befriedigender Weise gelöst.
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Im einfachsten Fall besteht das Krafteinleitungselement, z.B. für
Stahlrohre, in einem mit Muttergewinde ausgestatteten Stopfen aus Stahl, der in
den Stirnbereich des Stahlrohres eingeschweißt wird. Schwieriger hingegen ist die
Krafteinleitung in Rohre aus Kunststoff, inbesondere faserverstärktem Kunststoff.
Es hat sich gezeigt, daß insbesondere für höher belastete Kunststoffrohre die Verklebung
eines aus Metall bestehenden Krafteinleitungsformteiles mit dem Kunststoffrohr nicht
ausreicht. Selbst eine zusätzliche mechanische Verankerung zwischen Rohr und Krafteinleitungsformteil
führt zu keinem befriedigendem Ergebnis. Es wurden daher bereits andere Lösungsvorschläge
unterbreitet, die jedoch sehr kompliziert und aufwendig sind, bei gewickelten CFK-Rohren
beispielsweise formschlüssige Verbindungen, bei denen die unidirektionalen Fasern
durch einen in Umfangsrichtung gewickelten Kohle faden in eine ringförmige Vertiefung
des Krafteinleitungsformteiles aus Metall gezogen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine zuverlässige und kostengünstig
herzustellende Krafteinleitung für Rohre und andere Profile, insbesondere aus Kunststoff,
vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff, zu schaffen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im Stirnbereich des
Profiles eine gegebenenfalls ringförmig oder pfropfenförmig vorgeformte Formmasse
aus mit duroplastischem Kunstharz imprägniertem, vorzugsweise vorimprägniertem Fasermaterial
(Prepreg) angeordnet wird, worauf unter Ausübung eines in bezug auf die Profilachse
axialen Preßdruckes
und gegebenenfalls unter Wärmezufuhr die Formmasse
radial an eine Profilwandung gepreßt und das Kunstharz ausgehärtet wird. Auf diese
Weise läßt sich an einem Profil ein Krafteinleitungsformteil mit hoher Eigenfestigkeit
und inniger Verbindung zum Profil herstellen.
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Bei dem erfindungsgemäßenVerfahren kann für den Krafteinleitungsformteil
zweckmäßig von einem Prepreg ausgegangen werden, in dem das Kunstharz bereits vorgehärtet
ist, weil sich dann der Vorgang des Aushärtens des Kunstharzes des Krafteinleitungsformteiles
im Profil verkürzen läßt. Bei einem Profil aus vorzugsweise verstärktem duroplastischem
Kunstharz ist es vorteilhaft, wenn dasselbe Kunstharz auch für den Krafteinleitungsformteil
verwendet wird, weil dann eine besonders innige Verbindung zwischen dem Krafteinleitungsformteil
und der Profilwandung auftritt.
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Der axiale Preßdruck auf die Formmasse kann zumindest auf der dem
Stirnrand des Profiles abgewandten Seite über einen Metallteil erfolgen, der nach
der Anformung und Aushärtung des Krafteinleitungsformteiles an diesem als Bestandteil
verbleiben kann. In vielen Belastungsfällen reicht es zwar aus, wenn der Krafteinleitungsformteil
ausschließlich aus faserverstärktem Kunstharz besteht. Es können jedoch Gründe vorliegen,
beispielsweise höhere Belastungsfälle, bei denen es zweckmäßig ist, wenn der Krafteinleitungsformteil
auch einen Metallteil aufweist.
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Der Metallteil kann beispielsweise ein zur Profilachse vorzugsweise
koaxiales bzw. paralleles Muttergewinde aufweisen, weil in vielen Fällen die Krafteinleitung
in das Rohr über Konstruktionselemente erfolgt, die an ihrem Ende ein Außengewinde
aufweisen. Der Metallteil kann aber auch eine zum Profil vorzugsweise koaxiale bzw.
parallele Stange sein, die etwa als Bolzen ausgebildet ist, mit oder ohne Gewinde.
Selbstverständlich können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich
zur Anformung des Krafteinleitungsformteiles
an die Profilwandung
mit Hilfe des Harzanteiles der Kunstharzformmasse noch zusätzliche mechanische Verankerungen
erfolgen, etwa dadurch, daß im Stirnbereich des Profiles in der Seitenwand Ausnehmungen,
Vertiefungen, Sicken od. dgl. hergestellt werden, bevor das erfindungsgemäße Anformen
des Krafteinleitungsformteiles erfolgt.
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Eine einfache Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht aus einer Abdeckkappe für den Stirnbereich des Profiles und einer durch
den Deckel der Abdeckkappe ragenden Zugvorrichtung, welche an ihrem Ende einen metallischen
Stützteil zum Untergreifen des an das Profil anzuformenden Krafteinleitungsformteiles
aufweist.
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Dabei kann der Stützteil identisch sein mit jenem Metallteil, der
gegebenenfalls als Bestandteil des Krafteinleitungsformteiles in diesen eingeformt
werden soll. Die Zugvorrichtung kann eine den Deckel der Abdeckkappe durchsetzende
Gewindestange aufweisen, an deren Ende der erwähnte Stützteil aufschraubbar ist.
Eine leicht transportable Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht etwa darin, daß an dem die Abdeckkappe lose durchsetzenden Teil (Gewindestange)
der Zugvorrichtung im Abstand von der Abdeckkappe ein Widerlager und zwischen Abdeckkappe
und Widerlager ein einen axialen Druck ausübendes Element, z.B. eine Druckfeder,
angeordnet ist.
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Gegenstand des Patentes ist auch ein Krafteinleitungselement selbst,
bei dem ein im Stirnbereich eines Profils angeordneter Krafteinleitungsformteil
mindestens teilweise aus faserverstärktem duroplastischem Kunstharz besteht und
durch das Kunstharz der Faserverstärkung mit mindestens einer Profilwand verbunden
ist. Zusätzlich kann der Krafteinleitungsformteil mechanisch in an den Profilwandungen
ausgebildeten Ausnehmungen, Sicken, od.dgl. verankert sein.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für ein im Inneren eines Rohres,
also geschlossenen Profiles, anzuordnendes Krafteinleitungselement, weil es dabei
zu einer den Krafteinleitungsformteil allseits umfassenden innigen Verbindung mit
dem Profil kommt. Grundsätzlich ist die Erfindung aber
auch für
Krafteinleitungselemente an anderen Profilen (worunter vorzugsweise stabförmige
Bauteile beliebigen Querschnitts zu verstehen sind) geeignet. Auch muß das Krafteinleitungselement
nicht unbedingt im Inneren eines Profils (z.B. Rohres oder U-Profiles) angeordnet
sein, sondern kann das Profil auch an der Außenseite flanschartig umfassen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen durch Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Ansicht, Fig. 2
zeigt dieselbe Vorrichtung im Schnitt, Fig. 3 bis 8 zeigen teilweise im Schnitt
verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäß hergestellten, an ein Rohr angeformten
Krafteinleitungsformteilen.
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Fig. 9 zeigt in schaubildlicher Ansicht und Fig. 10 im Schnitt X-X
der Fig. 9 einen an ein U-Profil angeformten Krafteinleitungsformteil.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus einer Abdeckkappe 1
für den Stirnbereich eines Rohres 2 und aus einer Gewindestange 3, auf der eine
Druckfeder 4 zwischen dem Deckel 5 der Abdeckkappe 1 und einem Widerlager 6 angeordnet
ist. Die Stellung des Widerlagers 6 auf der Gewindestange 3 kann mittels einer Druckmutter
7 eingestellt werden. Zwischen der Druckmutter 7 und dem Widerlager 6 ist ein Kugellager
8 angeordnet. Die Abdeckkappe 1 weist einen Schlitz 9 flankiert von Laschen 10 auf,
die über eine aus Schraube 11 und Mutter 12 bestehende Klemmvorrichtung verbunden
sind.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in das Rohr
2, beispielsweise ein mit Kohlefasern verstärktes Kunststoffrohr, welches im Stirnbereich
gegebenenfalls mit seitlichen Ausnehmungen 13 versehen wird, ein metallischer Stützteil
14B mit Muttergewinde eingeschoben. Der Außendurchmesser des metallischen Stützteiles
ist um ca. 0,2 -0,4 mm kleiner als der Innendurchmesser des Rohres. Der Raum zwischen
der Stirnkante des Rohres 2 und dem Stützteil
14A wird mit der Formmasse
15 für den Krafteinleitungsformteil ringförmig angefüllt. Diese Formmasse 15 besteht
aus einem mit duroplastischem Kunstharz, z.B. Epoxyharz, (vor-) imprägnierten Fasermaterial,
beispielsweise Prepregschnitzeln, Preßmassegranulat oder Roving-Prepreg-Wicklungen
bzw. Kombinationen hievon.
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Sodann wird die Abdeckkappe 1 auf das Rohr 2 aufgesetzt und festgeklemmt.
Dabei wird auch die Gewindestange 3 durch die Öffnung im Deckel 5 der Abdeckkappe
in das Rohr eingeführt und mit dem metallischen Stützteil 14A verschraubt. Durch
Anziehen der Druckmutter 7 wird die Druckfeder unter Spannung gesetzt, was zur Folge
hat, daß sich auf die Gewindestange 3 eine Zugwirkung nach oben einstellt, die auf
die Formmasse 15 einen axialen Preßdruck ausübt. Dadurch wird die Formmasse 15 radial
sowohl an die Rohrwandung als auch an die Gewindestange 3 gepreßt. Gleichzeitig
härtet das Kunstharz der Formmasse 15 - vorzugsweise unter Wärmezufuhr (etwa durch
Aufheizen der Rohrwände und/oder der Abdeckkappe 1)-aus, wobei auch eine innige
(mechanisch-chemische) Verbindung mit der Rohrwand erfolgt. Zur Unterstützung dieses
Vorganges kann der Rohrwandbereich, an den die Formmasse 15 angeformt werden soll,
mechanisch und chemisch vorbehandelt werden, beispielsweise aufgerauht und/oder
mit einem Lösungsmittel, Klebstoff od. dgl. bestrichen werden.
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Nach dem Aushärten des Harzes wird zunächst die Gewindestange 3 herausgeschraubt
und hinterläßt im eingeformten Krafteinleitungsformteil auch oberhalb des metallischen
Stützteiles 14A ein Innengewinde. Schließlich wird die Vorrichtung vom Rohrende
abgenommen und gegebenenfalls kann durch zeitlich nachgeschaltete Tempervorgänge
ein vollständiges Aushärten des Kunstharzes des Krafteinleitungsformteiles bewirkt
werden.
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In den Figuren 3 bis 10 sind verschiedene mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens hergestellte Krafteinleitungselemente veranschaulicht. Gemäß Fig. 3 besteht
das Krafteinleitungselement
aus einem ringförmigen Kunststoffteil
16 aus faserverstärktem duroplastischem Kunstharz mit einem Metallteil 14B mit Muttergewinde
18, welches sich über die gesamte axiale Länge des Krafteinleitungsformteiles erstreckt.
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Im Falle der Fig. 3 weist das Rohr 2 seitliche Öffnungen 13 zur zusätzlichen
mechanischen Verankerung des Krafteinleitungsformteiles auf.
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Gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 besteht der Krafteinleitungsformteil
wiederum aus einem ringförmigen Kunststoffteil 16 aus faserverstärktem duroplastischem
Kunstharz und einem Metallteil 14C mit Muttergewinde 18, welches sich aber nur über
einen Teil der axialen Höhe des Krafteinleitungsformteiles erstreckt. Die übrige
axiale Erstreckung des Krafteinleitungsformteiles weist ein im Kunststoffteil 16
ausgebildetes Muttergewinde 19 auf. Eine zusätzliche mechanische Verankerung des
Krafteinleitungsformteiles mit der Wandung des Rohres 2 wird durch eine Ausbeulung
20 des Rohres bewirkt.
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Gemäß Fig. 5 besteht der Krafteinleitungsformteil wiederum aus einem
ringförmigen Kunststoffteil 16 aus faserverstärktem Kunststoff und einem topfförmigen
Metallteil 14D, an dem jedoch kein Muttergewinde ausgebildet, sondern eine Gewindestange
21 angeschweißt ist. Die Topfform des Metallteiles 14D hat den Vorteil, daß bei
möglichst großer Haftfläche zwischen dem Kunststoffteil 16 und der Rohrwandung ein
möglichst geringes Gewicht des gesamten Krafteinleitungsformteiles erzielbar ist.
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Auch Fig. 6 und 7 zeigen Krafteinleitungsformteile mit dem ringförmigen
Kunststoffteil 16 aus verstärktem duroplastischem Kunstharz und Metallteilen 14E,
die in diesem Fall kreisscheibenförmig ausgebildet sind und an die Gewindebolzen
21 angeformt sind, wobei aus Fig. 7 ersichtlich ist, daß bei einem derartigen Krafteinleitungsformteil
auf die Gewindebolzen 21 mit Hilfe einer Kontermutter 22 eine Stirnplatte
23
auf das Rohrende aufgepreßt werden kann.
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Fig. 8 zeigt einen Krafteinleitungsformteil, der neben dem ringförmigen
Kunststoffteil 16 aus faserverstärktem duroplastischem Kunstharz einen Metallteil
14F mit angeformtem Vierkantbolzen 24 zur Übertragung von Torsionskräften aufweist.
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Die Figuren 3 bis 8 veranschaulichen nur einige der erfindungsgemäß
möglichen Ausführungsformen von an ein Rohr angeformten Krafteinleitungselementen.
Erwähnenswert ist beispielsweise die Möglichkeit, an beiden Stirnenden eines Rohres
je ein erfindungsgemäßes Krafteinleitungselement auszubilden. Ferner muß das Rohr
nicht unbedingt kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sondern z.B. etwa rechteckigen
Querschnitt, wobei dann der Metallteil des Krafteinleitungsformteiles auch mehr
als ein Muttergewinde bzw.
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mehr als einen angeformten Bolzen aufweisen kann.
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Gemäß der Erfindung können auch an andere als rohrförmige Profile
die Krafteinleitungsformteile angeformt werden, z.B. an U-Profile, wie Fig. 9 und
10 veranschaulicht. Dabei ist am Stirnende eines U-Profils 2' im Inneren desselben
ein rechteckiger Kunststoffteil 16 aus faserverstärktem duroplastischem Kunstharz
mit einem Metallteil 14G mit zwei Muttergewindebohrungen aufweisenden Ansätzen 25
vorgesehen.
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Die Muttergewindebohrungen des Metallteiles 14G setzen sich in Muttergewindebohrungen
des Kunststoffteiles 16 fort.
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Statt der Muttergewindebohrungen könnte der Metallteil 14G z.B. zwei
Gewindebolzen tragen.
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Die Herstellung des Krafteinleitungselementes nach Fig. 9 und 10 erfolgt
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wozu im wesentlichen dieselbe Vorrichtung
verwendet werden kann, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt. Lediglich die Abdeckkappe
1 muß rechteckigen Querschnitt aufweisen, entsprechend der zu einem Rechteck ergänzten
Außenkontur des U-Profils 2'.